8-Глобальные сети с коммутацией каналов (Лекции по Сетевым технологиям)

Глобальные сети с коммутацией каналов

Цифровые сети с интегральными услугами

Цели и история создания технологии ISDN

ISDN (Integrated Services Digital Network — цифровые сети с интегральными услу­гами) относятся к сетям, в которых основным режимом коммутации является режим коммутации каналов, а данные обрабатываются в цифровой форме. Идеи перехода с телефонных сетей общего пользования на полностью цифровую обра­ботку данных, при которой конечный абонент передает данные непосредственно в цифровой форме, высказывались давно. Сначала предполагалось, что абоненты этой сети будут передавать только голосовые сообщения. Такие сети получили название IDN (Integrated Digital Network — интегрированная цифровая сеть). Термин «интегрированная» относился к интеграции цифровой обработки ин­формации сетью с цифровой передачей голоса абонентом. Идея такой сети была высказана еще в 1959 году. Затем было решено, что она должна предоставлять своим абонентам не только возможность поговорить между собой, но и восполь­зоваться другими услугами — в первую очередь передачей компьютерных дан­ных. Кроме того, сеть должна была поддерживать для абонентов разнообразные услуги прикладного уровня — факсимильную связь, телетекс (передачу данных между двумя терминалами), видеотекс (получение хранящихся в сети данных на свой терминал), голосовую почту и ряд других. Предпосылки для создания тако­го рода сетей сложились к середине 70-х годов. К этому времени уже широко применялись цифровые каналы Т1 для передачи данных в цифровой форме ме­жду АТС, а первый мощный цифровой коммутатор телефонных каналов 4ESS был выпущен компанией Western Electric в 1976 году.

Внедрение сетей ISDN началось достаточно давно — с конца 80-х годов, однако техническая сложность пользовательского интерфейса, отсутствие единых стан­дартов на многие жизненно важные функции, а также необходимость крупных капиталовложений для переоборудования телефонных АТС и каналов связи привели к тому, что «инкубационный период» затянулся на многие годы, и сей­час, когда прошло уже более десяти лет, распространенность сетей ISDN остав­ляет желать лучшего. Кроме того, в разных странах судьба ISDN складывалась по-разному. Раньше других в национальном масштабе эти сети заработали в та­ких странах, как Германия и Франция. Однако даже в этих странах доля абонен­тов ISDN составляет немногим более 5 % от общего числа абонентов телефонной сети. В США процесс внедрения сетей ISDN намного отстал от Европы, поэтому сетевая индустрия только недавно заметила наличие такого рода сетей. Если су­дить о тех или иных типах глобальных сетей по коммуникационному оборудова­нию для корпоративных сетей, то может сложиться ложное впечатление, что технология ISDN появилась где-то в 1994-1995 годах, так как именно в эти го­ды начали появляться маршрутизаторы с поддержкой интерфейса ISDN. Это обстоятельство просто отражает тот факт, что именно в эти годы сеть ISDN ста­ла достаточно распространенной в США — стране, компании которой являются лидерами в производстве сетевого оборудования для корпоративных сетей.

Архитектура сети ISDN предусматривает несколько видов служб (рис. 1):

• некоммутируемые средства (выделенные цифровые каналы);

• коммутируемая телефонная сеть общего пользования;

• сеть передачи данных с коммутацией каналов;

• сеть передачи данных с коммутацией пакетов;

• сеть передачи данных с трансляцией кадров (режим frame relay);

• средства контроля и управления работой сети.

Как видно из приведенного списка, транспортные службы сетей ISDN действи­тельно покрывают очень широкий спектр услуг, включая популярнее услуги frame relay. Кроме того, большое внимание уделено средствам контроля сети, которые позволяют маршрутизировать вызовы для установления соединения с абонен­том сети, а также осуществлять мониторинг и управление сетью. Управляемость сети обеспечивается интеллектуальностью коммутаторов и конечных узлов сети, поддерживающих стек протоколов, в том числе и специальных протоколов управ­ления.

Стандарты ISDN описывают также ряд услуг прикладного уровня: факсимильную связь на скорости 64 кбит/с, телексную связь на скорости 9600 бит/с, видеотекс на скорости 9600 бит/с и некоторые другие

На практике не все сети ISDN поддерживают все стандартные службы. Служба frame relay хотя и была разработана в рамках сети ISDN, однако реализуется, как правило, с помощью отдельной сети коммутаторов кадров, не пересекающейся с сетью коммутаторов ISDN.

Базовой скоростью сети ISDN является скорость канала DS-0, то есть 64 кбит/с. Эта скорость ориентируется на самый простой метод кодирования голоса — ИКМ, хотя дифференциальное кодирование и позволяет передавать голос с тем же ка­чеством на скорости 32 или 16 кбит/с.

Одной из оригинальных идей, положенных в основу ISDN, является совместное использование принципов коммутации каналов и коммутации пакетов. Однако сеть с коммутацией пакетов, работающая в составе ISDN, выполняет служебные функции — с помощью этой сети передаются сообщения протокола

Сеть

Выделенные

каналы

Передача голоса по

коммутируемым каналам

Передача данных по

коммутируемым каналам

Передача данных с

Коммутацией пакетов

Передача данных с

Трансляцией кадров

Средства контроля и

Управления

сетью

Рис. 1. Службы ISDN

сигнализа­ции. А вот основная информация, то есть сам голос, по-прежнему передается с помощью сети с коммутацией каналов. В таком разделении функций есть вполне понятная логика — сообщения о вызове абонентов образуют пульсирующий трафик, поэтому его более эффективно передавать по сети с коммутацией пакетов.

Пользовательские интерфейсы ISDN

Одним из базовых принципов ISDN является предоставление пользователю стан­дартного интерфейса, с помощью которого пользователь может запрашивать у сети разнообразные услуги. Этот интерфейс образуется между двумя типами оборудования, устанавливаемого в помещении пользователя (Customer Premises Equipment, CPE):

• терминальным оборудованием пользователя ТЕ (компьютер с соответствующим адаптером, маршрутизатор, телефонный аппарат)

• и сетевым окончанием NT, которое представляет собой устройство, завершающее канал связи с ближайшим коммутатором ISDN.

Пользовательский интерфейс основан на каналах трех типов:

• В — со скоростью передачи данных 64 кбит/с;

• D — со скоростью передачи данных 16 или 64 кбит/с;

• Н — со скоростью передачи данных 384 кбит/с (Н0), 1536 кбит/с (Н11) или 1920 кбит/с (Н12).

Каналы типа В обеспечивают передачу пользовательских данных (оцифрованно­го голоса, компьютерных данных или смеси голоса и данных) и с более низкими скоростями, чем 64 кбит/с. Разделение данных выполняется с помощью техники TDM. Разделением канала В на подканалы в этом случае должно заниматься пользовательское оборудование, сеть ISDN всегда коммутирует целые каналы типа В. Каналы типа В могут соединять пользователей с помощью техники ком­мутации каналов друг с другом, а также образовывать так называемые полупо­стоянные (semipermanent) соединения, которые эквиваленты соединениям служ­бы выделенных каналов. Канал типа В может также подключать пользователя к коммутатору сети Х.25.

Канал типа D является каналом доступа к служебной сети с коммутацией пакетов, передающей сигнальную информацию. Передача адресной информации, на ос­нове которой осуществляется коммутация каналов типа В в коммутаторах сети, является основной функцией канала D. Другой его функцией является поддержание услуг низкоскоростной сети с коммутацией пакетов для пользовательских данных. Обычно эта услуга выполняется сетью в то время, когда каналы типа D свободны от выполнения основной функции.

Каналы типа Н предоставляют пользователям возможности высокоскоростной передачи данных. На них могут работать службы высокоскоростной передачи факсов, видеоинформации, качественного воспроизведения звука.

Пользовательский интерфейс ISDN представляет собой набор каналов опреде­ленного типа и с определенными скоростями.

Сеть ISDN поддерживает два типа пользовательского интерфейса — начальный (Basic Rate Interface, BRI) и основной (Primary Rate Interface, PRI).

Начальный интерфейс BRI предоставляет пользователю два канала по 64 кбит/с для передачи данных (каналы типа В) и один канал с пропускной способностью 16 кбит/с для передачи управляющей информации (канал типа D). Все каналы работают в полнодуплексном режиме. В результате суммарная скорость интер­фейса BRI для пользовательских данных составляет 144 кбит/с по каждому на­правлению, а с учетом служебной информации — 192 кбит/с. Различные каналы пользовательского интерфейса разделяют один и тот же физический двухпроводный кабель по технологии TDM, то есть являются логическими, а не физиче­скими каналами. Данные по интерфейсу BRI передаются кадрами, состоящими из 48 бит. Каждый кадр содержит по два байта каждого из В каналов, а также 4 бита канала D. Передача кадра длится 250 мс, что обеспечивает скорость дан­ных 64 кбит/с для каналов В и 16 кбит/с для канала D. Кроме битов данных кадр содержит служебные биты для синхронизации кадров, а также обеспечения нулевой постоянной составляющей электрического сигнала.

Интерфейс BRI может поддерживать не только схему 2B+D, но и B+D и про­сто D (когда пользователь направляет в сеть только пакетизированные данные).

Начальный интерфейс стандартизован в рекомендации 1.430.

Основной интерфейс PRI предназначен для пользователей с повышенными тре­бованиями к пропускной способности сети. Интерфейс PRI поддерживает либо схему 30B+D, либо схему 23B+D. В обеих схемах канал D обеспечивает скорость 64 кбит/с. Первый вариант предназначен для Европы, второй — для Северной Америки и Японии. Ввиду большой популярности скорости цифровых каналов 2,048 Мбит/с в Европе и скорости 1,544 Мбит/с в остальных регионах привести стандарт на интерфейс PRI к общему варианту не удалось.

Возможны варианты интерфейса PRI с меньшим количеством каналов типа В, например 20B+D. Каналы типа В могут объединяться в один логический высо­коскоростной канал с общей скоростью до 1920 кбит/с. При установке у пользо­вателя нескольких интерфейсов PRI все они могут иметь один канал типа D, при этом количество каналов В в том интерфейсе, который не имеет канала D, может увеличиваться до 24 или 31.

Основной интерфейс может быть основан на каналах типа Н. При этом общая пропускная способность интерфейса все равно не должна превышать 2,048 или 1,544 Мбит/с. Для каналов Н0 возможны интерфейсы 3H0+D для американско­го варианта и 5H0+D для европейского. Для каналов HI возможен интерфейс, состоящий только из одного канала Н11 (1,536 Мбит/с) для американского варианта или одного канала Н12(1,950 Мб/с) и одного канала d для европейского варианта.

Стек протоколов ISDN

В сети ISDN существует два стека протоколов: стек каналов типа D и стек кана­лов типа В (рис. 2).

Сеть каналов типа D внутри сети ISDN служит транспортной системой с коммутацией пакетов, применяемой для передачи сообщений сигнализации. Прообразом этой сети послужила технология сетей Х.25. Для сети каналов D определены три уровня протоколов:

• физический протокол определяется стандартом 1.430/431;

• канальный протокол LAP-D определяется стандартом Q.921;

• на сетевом уровне может использоваться протокол сигнализации Q.931, с помощью которого выполняется маршрутизация вызова абонента службы с коммутацией каналов.

Каналы типа В образуют сеть с коммутацией каналов, которая передает данные абонентов, то есть оцифрованный голос. В терминах модели OSI на каналах типа В в коммутаторах сети ISDN определен только протокол физического уровня — протокол 1.430/431. Коммутация каналов типа В происходит по указаниям, полученным по каналу D. Когда кадры протокола Q.931 маршрутизируются ком­мутатором, при этом происходит одновременная коммутация очередной части составного канала от исходного абонента к конечному.

Протокол LAP-D принадлежит к уже не раз упомянутому нами семейству HDLC. Протокол LAP-D обладает всеми «родовыми чертами» этого семейства, но имеет и некоторые особенности. Адрес кадра LAP-D состоит из двух байтов — один байт определяет код службы, которой пересылаются вложенные в кадр пакеты, а второй требуется для адресации одного из терминалов, если у пользователя к абонентскому окончанию подключено несколько терминалов. Терминальное устройство ISDN может поддерживать разные услуги — установления соединения по протоколу Q.931, коммутации пакетов Х.25, мониторинга сети и т. п. Протокол LAP-D обеспечивает два режима работы: с установлением соединения и без установления соединения. Последний режим используется, например, для мониторинга сети.

Рис. 2. Структура сети ISDN

Протокол Q.931 является сигнальным протоколом ISDN для участка пользователь-сеть, то есть протоколом типа UNI. Он переносит в своих пакетах ISDN-адрес вызываемого абонента, на основании которого и происходит настройка коммутаторов на поддержку составного канала типа В. Процедуру установления соединения по протоколу Q.931 иллюстрирует рис. 3.